三星、SK 海力士、美光、Solidigm、长江存储、西部数据和铠侠的工艺技术对比。
NAND是一个竞争激烈、不断进步的市场。制造和出货的 NAND 位数以每年 30% 到 35% 的速度增长，每 2 到 3 年翻一番。最初的看法是，这需要大量资金专门用于新设备，但 NAND 行业从 2017 年到 2022 年每年仅在晶圆制造设备上花费了 150亿 到 200亿 美元，呈指数级增长，但是生产NAND的成本迅速下降。
几十年前，类似的成本缩放改进在 DRAM 和逻辑等其他半导体技术中很常见，但这些子行业会认为这种改进速度在后摩尔定律宇宙中是不常见的。生产力的提高主要是由 Lam Research 蚀刻和沉积工具的改进以及制造商开发的工艺节点推动的。
从历史上看，当半导体行业进行如此快速的创新时，许多公司在技术上被抛在了尘埃中。后来发成了行业合并整合，只有少数强大的玩家胜利了。3D NAND 今天也处于类似的位置，该行业的未来经济状况也在不断变化。英特尔出售了他们的 NAND 业务，铠侠和西部数据出现了很大的动荡。
在本报告中，我们对三星、SK 海力士、美光、Solidigm、长江存储、西部数据和铠侠的工艺技术进行查看分析。简而言之，美光公司、SK海力士公司和长江存储公司正在抢先一步。与此同时，三星在几年前还是 NAND 技术的绝对领导者，却奇怪地落后了。SemiAnalysis和Angstronomics编制了下表。
最大的亮点是中国长江存储现在出货密度最高的3D NAND。还有关于潜在制裁/工具禁令、芯片四方联盟以及 SK 海力士和三星在中国的现有 NAND 晶圆厂的信息。
最后，我们还将详细介绍 NAND 行业的财务前景，包括长期的全周期盈利能力和自由现金流利润率。这包括讨论西部数据和铠侠在 NAND 业务中不稳定的未来以及传闻中的收购要约。
潜在的中国工具禁令、芯片四方联盟、中国现有晶圆厂
在我们进入技术和业务部分之前，必须要考虑一下地缘政治。有许多报道称美国希望禁止来自中国的 3D NAND 工具。基本情况是，Lam Research 和其他半导体制造设备公司的工具可能被禁止出口到中国。如果这些工具被阻止，它将阻止 长江存储以及三星和 SK 海力士目前的 3D NAND 扩展。
芯片四方联盟是美国、日本、台湾中国和韩国之间的潜在联盟。这 4 个主体在半导体供应链的各个方面都占据了大部分市场份额。这包括供应链输入，例如晶圆基板、光刻胶、CMP 浆料和蚀刻剂气体。他们还代表了大多数晶圆制造设备、内存公司、代工厂和 IDM。
该联盟的目标是提高供应链的安全性、研发合作和劳动力发展。明确的基调是，这一联盟将用于遏制中国在半导体行业的快速崛起。韩国公开对加入该联盟持冷淡态度。
如果韩国选择不加入芯片四方联盟，美国甚至可能试图迫使他们出手。这可以通过禁止向中国运送 3D NAND 工具来实现。三星和 SK 海力士在中国都有 NAND 工厂。除了长江存储的产能，我们的数据显示，中国在 2022 年第三季度占全球 NAND 产量的 24%。此外，SK 海力士在中国也有 DRAM 工厂。美国的工具禁令将有效地迫使韩国减少与中国在半导体方面的合作，因为这些晶圆厂无法扩大。
SK 海力士处境艰难。他们被大量补贴DRAM和NAND晶圆厂吸引到中国，但现在他们在升级生产方面面临困难。内存依赖于利用最新技术以最低的每比特成本进行生产。在DRAM方面，SK海力士最新的DRAM节点采用了EUV光刻技术，中国无法进口。这意味着他们的 DRAM 工厂举步维艰。SK 海力士计划在未来将现有的 DRAM 工厂转换为 3D NAND，因为 3D NAND 工具目前没有出口管制。这将是一次代价高昂的资本转型，但这是多年来计划和预期的。如果出现 3D NAND 工具禁令，这些计划都会发生变化。
如果三星和 SK 海力士不能将 3D NAND 工具进口到中国，它们将处于非常艰难的境地。他们可以为新节点重新配置现有设施，但 3D NAND 制造的大部分生产力改进来自 Lam Research 的新工具或升级工具。禁止来自中国的 3D NAND 工具将削弱长江存储未来的扩张，并使三星和 SK 海力士长期在中国的运营成本高昂。如果美国继续执行这项禁令，它可能会给三星和 SK 海力士在美国的补贴以缓和打击。
长江存储他们正在构建自己的创新和独特的产品。他们在 NAND 领域凭借本土创新领先于其他玩家。
长江存储在收益率方面仍然落后与国际大厂，但他们一直在迅速提高。几年后，长江存储可能将在成本上与业内最好的公司竞争。它们将从结构上改变 NAND 行业。
铠侠和西部数据在 3D NAND 的制造和技术开发方面进行了合作，因此它们被组合在一起。他们估计，Zettabyte 的 NAND 将在 2022 年出货。他们的闪存峰会演讲涵盖了 3D NAND 缩放的一些权衡。缩放有 4 个主要向量，垂直缩放、横向缩放、架构缩放和逻辑缩放。
上面是一张关于 SLC、MLC、TLC、QLC 和 PLC 缩放的有趣幻灯片。随着越来越多的位存储在一个单元中，读取延迟会增加，并且程序擦除周期的耐久性会降低。铠侠和西部数据正在探索使用每个单元 4.5 位或每个 NAND 单元 3.5 位来增加密度和降低成本，同时不牺牲尽可能多的延迟和耐用性。
在 3D NAND 中，工程选择通常取决于性能、成本和耐用性。对于同等容量的 SSD 而言，更大的容量更具成本效益，但性能较差。较大的单元尺寸性能更好，但由于难以扩展到更高的层数，因此制造成本更高。
PCIe 多年来一直停留在 3.0 上，但近年来代际改进加速。这导致了许多创新，以使可用带宽完全饱和。铠侠和西部数据表示，他们的 NAND 接口带宽每一代都增加了 30%。此外，他们引入了异步独立平面读取，这使得每个平面中的读取可以更有效地打包（大多数竞争对手引入了这一点或将在他们的一代中这样做）。由于这些创新，随机读取性能显着提高。
西部数据和铠侠的路线图包括扩展层以及非层数相关技术。晶圆键合被列为下一个被采用作为提高单元阵列效率的技术。这是长江存储第三次迭代 Xtacking 3.0 的技术。PLC NAND也在考虑之中。西部数据说道，他们甚至在实验室中试验了高达 7 位（128 个电压等级）。它存在于他们的实验室中，但需要由液氮维持的极低温度。
铠侠和西部数据是仅有的在其路线图中使用 PLC 电荷陷阱存储器的公司。CMOS 缩放和单元间距缩放也在路线图上。他们讨论的最后一项技术是多堆叠。CMOS 阵列和多个 NAND 阵列都将采用顺序混合键合方法进行堆叠。理论上，这项技术的成本改进很小，但密度增益将是巨大的。
铠侠和西部数据还开发了第二代存储级内存，他们将其作为 XL-Flash-2 销售。由于成本较高，它是否会增加产量还有待观察，但由于使用 16 平面和 MLC NAND，它的速度要快得多。这仅适用于延迟较低的 CXL 总线上的大规模部署，但 DRAM 池/共享通常更适合这些工作负载。
铠侠和西部数据的业务/财务状况将在本文后面单独讨论。
长期以来，三星在 NAND 市场占有率最高。正如闪存的历史和时间线（加一个超链接吧）所示，它们在历史上引领了许多技术转型。这种技术领先存在于他们的 128 层技术，这是世界上容量最大的 NAND 工艺节点。
3D NAND 中最关键的工艺步骤是通过多层 NAND 的高纵横比蚀刻和随后的沉积步骤。虽然业内几乎每个人都在这些关键步骤中使用 Lam Research 的工具，但三星是唯一一家同时蚀刻超过 120 层的公司。其他公司在其 100 层以上的 NAND 架构上使用多个卡座，但三星 128 层仅使用 1 层。例如，Solidigm 在其 144 层 NAND 上使用 3 层卡座。每个甲板额外增加成本。
尽管在 128 层方面处于领先地位，但三星多年来一直没有推出新的 NAND 工艺技术。他们的 176 层和 >200 层 NAND 工艺技术尚未被逆向工程公司或拆解在任何 SSD 中发现。尽管他们声称将在2021装运176层消费固态硬盘，但官方原因尚未披露，很可能是由于文化问题导致的工艺问题。虽然官方原因尚未披露，但很可能源于文化问题引发的工艺问题。三星仍然表示，第 7 代 V-NAND，176 层 512Gb TLC，2Gbps，是 2021 年的技术。他们还注意到 176 层 1Tb QLC 即将推出。第 8 代 V-NAND 超过 200 层。三星表示，它将是 2.4Gbps 的 1Tb TLC 裸片，将于 2022 年发货。第 8 代将同时进行横向收缩、更多层和外围收缩。三星还在 2023 年推出了第 9 代 V-NAND。鉴于第 7 代 V-NAND 的状态，我们对他们的说法持怀疑态度。
三星处于不稳定的境地，曾经落后的公司现在正在竞相领先，并开始实现更好的成本结构。层数并不是 NAND 扩展的全部，许多其他因素都会影响最终的每比特成本。根据成本模型，三星仍然拥有第二最具成本效益的 NAND 工艺技术，因为它具有高资本效率和良率以及长期存在的 128 层工艺节点。三星避免增加其 176 层 NAND，因为由于转向 2 层架构，它的成本效益低于 128 层。
如果三星继续推迟其新的工艺节点，他们就有可能进一步落后。许多工艺工程师对三星在 NAND 工艺节点转换方面发生的事情感到非常困惑。
SK海力士在相对定位上一直在提升。他们在第四季度开始大规模生产 176 层 1Tb QLC，从而迅速提升了 176 层 TLC。成本模型将 SK 海力士列为第三最具成本效益的 NAND 工艺技术，他们甚至可能很快与三星交换位置。
SK海力士238层明年上半年开始量产512Gb TLC裸片。SK 海力士表示，新的 NAND 技术将在每个晶圆上多生产 34% 的比特，提高 50% 的 IO 速度，提高 10% 的程序性能，以及提高 21% 的读取功率效率。这个 NAND 速度快到 2.4Gbps。美光和长江存储仅计划在其 232 层数技术中使用 1Tb 裸片，但 SK 海力士可以使用更小的 512Gb 裸片实现相同的速度，并且仅使用 4 平面而不是 6 平面。
SK海力士提出的未来路线图非常有趣。SK 海力士表示，他们计划在238层一代之后继续使用CMOS阵列下NAND三代。特别是，接下来的N层 NAND 工艺将有更显著的层数增加和更快的过渡。
SK 海力士这些创新涉及共享位线和更多行。。他们讨论了使用串联的 2 个单元来存储超过 6 位的数据，而不是独立的单元和存储 8 个电压电平用于每个单元 3 位的数据。所有这些技术的重点似乎是每层打包更多位。
转向 Solidigm（以前是英特尔的 NAND 业务），NAND 架构有所不同。Solidigm 使用浮栅架构，而 SK 海力士使用电荷陷阱。SK 海力士计划将其内部电荷陷阱用于性能和主流，而 Solidigm 将用于价值和硬盘更换领域。SK 海力士与英特尔之间的部分交易条款涉及工艺技术人员在几年内从英特尔转移，而不是立即转移。Solidigm中国大连工厂将在英特尔开发的工艺技术上运行至少几年。
下一代 Solidigm 浮栅节点为 192 层。我们认为这是一个 4 层设计，每层甲板有 48 层。对于 TLC 架构，该过程的成本效益将备受争议。通过在每个单元中使用更多位可以缓解这种成本劣势，这是浮动栅极架构相对于电荷陷阱架构的优势。虽然大多数电荷陷阱体积是 TLC（每个单元 3 位），但 Solidigm 节点专注于 QLC 的体积。
192 层 QLC 将配备 1.33Tb 芯片容量。由于必须准确地保持 16 个电压电平以每个单元存储 4 位，QLC 一直受到性能不佳的困扰，但新节点声称可以解决其中的许多问题。第 4 代 QLC 有一些非常出色的声明，即程序写入时间提高 2.5 倍，随机读取提高 5 倍，在第 99 个百分位时读取延迟提高 1.5 倍。这些改进将使 Solidigm 192 层 QLC 性能更接近电荷陷阱 TLC。
更令人兴奋的变化是，192 层工艺将成为第一批具有 1.67Tb 裸片容量的 PLC NAND。使用 PLC，单元必须能够准确地保持 32 个电压电平，以便每个单元存储 5 位。这将每个晶圆制造的位数提高了 25%，但牺牲了性能。鉴于 SK 海力士将 PLC NAND 作为 HDD 替代技术，性能受到的影响可能很大。作为一个有趣的噱头，Solidigm 的团队在使用 192 层 PLC NAND 的外部 SSD 上进行了演示。
美光一直是 NAND 行业的一只冉冉升起的明星。几年前，他们在 IMFT 合资企业中与英特尔联手。他们使用了浮动栅极架构，与电荷陷阱相比，它的每比特成本或性能较差。他们在 DRAM 工艺技术方面也落后于三星几年。
美光做出了一些根本性的改变，现在他们是内存行业的领导者。Sanjay Mehrotra 是 SanDisk 的联合创始人兼首席执行官，该公司以 19B 美元的价格卖给了 Western Digital。不久之后，他被任命为美光的首席执行官。英特尔合资公司（IMFT）解散，NAND架构从浮栅过渡到电荷陷阱。3D XPoint 内存开发也停止了。
修复了美光的一些潜在工艺问题后，美光从 3D NAND 中最差的成本结构变成了 3D NAND 中最好的成本结构。同样，它们从密度最低、成本最高的 DRAM 到DRAM 的晶圆厂，变成了成本结构第二好的出货密度最高的 DRAM。
美光的大部分产能是 176 层，他们正在加速和出货 232 层 NAND。美光的策略是保持晶圆开工率基本相同，并专注于更好的工艺技术以增加位出货量。这使他们能够降低资本支出，但仍保持市场份额。由于芯片法案，该策略可能会改变。
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编译来源：semianalysis
本文来源：半导体产业纵横
